La matrice di osservabilità è il concetto duale della raggiungibilità. Mentre la raggiungibilità riguarda la capacità dell'ingresso di influenzare lo stato, l'osservabilità riguarda la capacità di ricostruire lo stato interno del sistema guardando solo le uscite (y) e gli ingressi (u). Per un sistema con variabili di stato, la matrice di osservabilità è costruita impilando verticalmente la matrice di uscita moltiplicata per le potenze della matrice dinamica :
Se lo stato ha dimensione e l’uscita ha dimensione , la matrice avrà dimensioni . Un sistema si dice completamente osservabile se e solo se la matrice O ha rango massimo (pari al numero di stati):
Se il rango è inferiore a , esiste un sottospazio di non osservabilità. In pratica, ci sono alcune combinazioni degli stati interni che non producono alcun effetto sull’uscita: sono “invisibili” all’esterno.